地球、風、水: 宇宙ミュオンが火山やサイクロンなどの研究にどのように役立っているか – Physics World

科学者や技術者は、火山などの自然災害によって引き起こされる人命や財産への被害を軽減するために、より優れた早期警報システムの構築に常に努めています。 研究者がますます注目している技術の 15 つは、さまざまな意味で天から与えられたものです。 これには、宇宙線（主に超新星などの現象から発生する高エネルギー陽子）が大気中の高さ 20 ～ XNUMX キロメートルの原子と衝突するときに生成される素粒子であるミュオンの使用が含まれます。

地球の大気は常にこれらの一次宇宙線にさらされており、その衝突によって電子、パイオン、ニュートリノ、ミューオンなどの二次粒子のシャワーが生成されることがわかっています。 実際、これらの二次宇宙線からのミューオンは毎分 10,000 個もの数が地表の 200 平方メートルに降り注いでいます。 これらの粒子は電子とすべて同じ特性を持っていますが、質量が約 XNUMX 倍であるため、固体構造中を電子よりもはるかに遠くまで移動できることを意味します。

しかし、ミューオンがプローブとして興味深いのは、ミューオンとミューオンが通過する物質との間の相互作用がそのフラックスに影響を及ぼし、密度の高い物体は密度の低い構造よりも多くのミューオンを偏向して吸収するためです。 このフラックスの違いは、「ミュオグラフィー」として知られる技術で火山の内部構造を画像化するために使用されています。 この用語は 2007 年に造られました。 田中洋之 東京大学とその同僚らは、火山内の空洞や空洞がこの技術で検出できることを最初に実証した(地球惑星。 科学。 レット。 263 1-2).

ミューオントモグラフィーとしても知られ、検出器を使用してミューオンが通過した物体の逆密度マップを作成します。 より多くのミューオンがセンサーに当たるスポットは構造の密度が低い領域を表し、ミューオンが少ないほど密度の高い部分が強調表示されます。 タナカ氏らは、ミュオグラフィーと AI 深層学習畳み込みニューラル ネットワークを組み合わせて火山噴火の予測を試みたことさえあります。 2020 年、研究者らはこの技術を使用して、世界で最も活発な火山の 7000 つである日本南部の桜島火山 (上記参照) を研究しました。この火山は過去 XNUMX 年間に XNUMX 回噴火しました (サイ。 担当者 10 5272).

ミュオンを使った描画

によれば、ミュオグラフィーは X 線撮影と非常によく似ています。 ジャック・マルトー、フランスのリヨンにある 2 つの無限の物理学研究所 (IP2I) の素粒子物理学者。 「これは、医療画像からの X 線を別の粒子、つまりミューオンに置き換えます」と彼は言います。 「ミュオグラフィーは基本的に、X 線イメージングとまったく同じ方法で物体の密度をスキャンするイメージング プロセスです。」

ミュオグラフィーは、X 線イメージングとまったく同じ方法で物体の密度をスキャンするイメージング プロセスです。

ミュー粒子の検出にはいくつかの異なる装置が使用できますが、そのほとんどは CERN の大型ハドロン衝突型加速器などの素粒子物理学実験の一環として開発されました。 しかし、火山の画像化に関しては、最も一般的に使用される検出器はシンチレーターの層で構成されています。 ミューオンが検出器を通過すると、各層がフラッシュ光を生成し、これらを合わせて粒子の入射軌道を再構築するために使用できます。 検出器は火山の下部斜面に設置され、火山を通過するミュー粒子を検出できるように角度が付けられています。

しかし、ミュオグラフィーは火山の内部構造を画像化するためにだけ使用されているわけではありません。 研究者らはまた、この技術を利用して、マグマの上昇に関連する火山内の密度の変化や、マグマの形状、熱水活動、空洞や火道内の圧力の変化を検出している。

火山の峰

ジョバンニ・マケドニオイタリアのローマにある国立地球物理火山研究所の研究責任者である彼は、火山の研究と監視には主に XNUMX つの技術があると説明しています。 一つは地震データを活用することです。 もう XNUMX つは衛星を使って地盤の変形を測定することであり、XNUMX つ目は火山内の流体の地球化学を分析することです。

ミュオグラフィーを使用すると、火山の上部、特に小さな火山の内部構造を見ることができるため、流体力学の研究が可能になります。 これにより、過去の噴火でマグナがたどった経路が明らかになるだけでなく、将来の噴火中の潜在的な活動をモデル化することも可能になります。 たとえば、内部形状の詳細は、噴火が円錐上のどこで発生するか、そしてそれがどれほど強力であるかを示すことができます。

マセドニオ氏らは、MURAVES (J.Inst. 15 03014）。 ローマの都市ポンペイやヘルクラネウムを破壊したことで悪名高いヴェスヴィオ火山は今も活火山であり、特に多くの人が近くに住んでいることから、危険で陰気な存在となっています。 1944 年の最後の噴火では、火口の一部が火山から吹き飛ばされましたが、一部の濃いマグマが火口内で固まっていました。

MURAVES が目指しているのは、19 世紀と 20 世紀の噴火後の火山の内部構造について学び、将来の火山の挙動をモデル化することです。 火山は動的な環境であるため、特に噴火中に構造が変化し、将来の火山の挙動に影響を与える可能性があります。

マケドニオ大学はまた、シチリア島北海岸沖にあるエオリア諸島の活火山であるストロンボリ山の研究にもミュオンを使用している。 活火山と休火山の両方の内部構造を研究することは、火山の挙動を理解し、なぜ小規模または大規模な噴火が発生するのかを説明するのに役立ちます。 「内部構造、つまり火道形状は、火山の力学を決定する重要なパラメータです」とマセドニオ氏は言います。 活火山からのこの情報は、他の火山がどのように動作するかをモデル化し、予測するために使用できます。

マルトーに関して言えば、彼はミュオグラフィーを使用して、カリブ海のフランスのバステール島にあるラ・スーフリエール火山を研究しています。 マルトー氏の説明によると、この火山の比較的小さなドームは、地震やマグナの動きなどの活動によって簡単に不安定になる可能性があります。 これにより、高温高圧の蒸気で満たされた空洞が減圧され、いわゆる「水蒸気噴火」が発生する可能性があります。 マグマではなく、高温の液体や蒸気が関与する火山の噴火です。

このような噴火はマグマが関与する噴火ほど有名ではありませんが、依然として強力で危険な可能性があります。 たとえば、2014 年 63 月、日本の御嶽火山の南西側が何の前触れもなく噴火し、山でハイキングをしていた XNUMX 人が死亡しました (地球 惑星 宇宙 68 72）。 水蒸気噴火により、高さ11キロメートルの巨大な噴煙が発生した。

ラ・スフリエールのような火山の場合、噴火が起こるかどうかを決めるのはドームの機械的構造です。 「弱点がどこにあるのかを理解するには、ミュオグラフィーのような技術が必要です」とマルトー氏は言います。

ミュオグラフィーは、ラ・スフリエールのような火山内の流体の動態を監視するためにも使用できます。 多くの火山の内部では、さまざまな空洞の間を大量の流体が循環しているとマルトー氏は説明します。 流体は液体である可能性がありますが、火山の深部でのマグマの活動の増加と熱により蒸気に変化する可能性があります。

ミュオグラフィーを使用すると、ドーム内の流体力学のこうした変化を観察できます。 たとえば、XNUMX つの空洞内の液体が蒸気に変わると、密度が減少し、ミュオン束が増加します。

このような変化、つまり空洞が圧力のかかった蒸気で満たされることは、噴火を引き起こす可能性があります。 「これはミュオグラフィーを使用してリアルタイムで追跡できるものであり、これができる唯一の技術です」とマルトー氏は言います。

2019 年、マルトーと彼の同僚は、ミュオグラフィーと地震騒音モニタリングを組み合わせることで、ラ・スーフリエール火山のドーム内の熱水活動の突然の変化を検出できることを実証しました。サイ。 担当者 9 3079).

嵐の前の流れ

火山の画像化にミュオンを利用する先駆者であるタナカ氏は、現在、別の危険な自然災害に目を向けています。 熱帯低気圧。 時速 120 キロメートル以上の速度に達するこれらの回転する嵐は、物的損害に多大な被害をもたらし、毎年多くの死者を出しています。 それらは熱帯の海洋で発生し、世界のどこで発生するかに応じて、ハリケーン、台風、または単にサイクロンとして知られています。

サイクロンは、低圧の空気が暖かい熱帯の海洋で加熱されると発生します。 時間の経過とともに、急速に上昇する暖かく湿った空気の柱が形成されます。 海面に低気圧が発生する原因となります。 これにより対流がさらに強化され、ますます強力になる強力な回転嵐システムの開発につながります。

これらの熱帯低気圧は現在、衛星、レーダー、その他の気象データを使用して予測、監視、追跡されています。 強化された航空機を飛行させて、気圧などのデータを収集することもできます。 しかし、これらの技術のどれも、サイクロン全体の気圧と密度の違いについては詳細を提供しません。 対流と風速を引き起こすのはこれらの勾配です。

日本の主要な150つの島の最南端で低気圧のホットスポットである九州島で、田中氏と彼のチームは現在、ミュオン束の変化が低気圧内の空気密度と圧力の違いをどのように示し、風速と嵐に関する情報を提供するかを調査している。強さ。 田中氏によると、九州にある同社のシンチレーター検出器ネットワークは、最大約300キロメートル離れた嵐を画像化できるという。 これが可能となるのは、一部の宇宙線は垂直に大気に進入する一方で、他の宇宙線ははるかに水平方向に衝突し、非常に浅い角度で地球に向かって飛行し、地上に衝突するまでにXNUMXkmもの距離を移動できるミュオンを生成するためです。

密度の高い空気はより多くのミュオンを吸収するため、ミューオンの流束はサイクロン全体の複数の点での空気の密度、つまり圧力と温度の尺度を提供します。 その結果、田中氏のチームはサイクロン内の温度と気圧の勾配の画像を作成できるようになりました。 「[この技術を使用すると] 低気圧内部の風の水平および垂直速度を測定できます」と、チームがミュオグラフィーを使用して鹿児島市に接近する XNUMX つの低気圧を観察した田中氏は言います。 結果として得られた画像は、より高密度で冷たい高圧の空気に囲まれた、サイクロンの暖かい低圧の中心部分を捉えたものです (サイ。 担当者 12 16710).

田中氏は、より多くのミュオン検出器を使用することで、サイクロン内部のエネルギー構造のより詳細な 3D 画像を作成できるようになると期待しています。 「ミュオグラフィーを使えば、サイクロンの強さと地上に降る雨の量を予測できると期待しています」とタナカ氏は言う。 「これはおそらく早期警戒システムに使用できるものです。」

潮流の変化

タナカ氏はまた、ミュオグラフィーを使用して、サイクロンに関連する別の危険である気象津波を測定しています。 気象津波の略称で、湾や湖などの密閉または半密閉された水域で発生します。 地震活動の結果である津波とは異なり、低気圧や前線によって引き起こされるような気圧や風の急激な変化によって引き起こされます。

隕石津波による極端な水の振動は数分から数時間続くことがあり、重大な被害を引き起こす可能性があります。 たとえば、75 年 4 月 1992 日に米国フロリダ州東部のデイトナビーチを隕石津波が襲い、XNUMX 人が負傷しました (ナット危険 74 1-9）。 波の高さが XNUMX メートルに達するこの気象津波は、急速に進む雷雨システムであるスコールラインによって引き起こされました。

東京湾海底ハイパーキロメートル海底深部検出器 (TS-HKMSDD) は、東京湾の下にある長さ XNUMX キロメートルの道路トンネルに設置された一連のミュオン検出器です。 センサーは、上水を通過するミュオンを測定します。

2021年400月、低気圧が東京湾の南約XNUMXキロの太平洋を通過した。 嵐が過ぎると東京湾に大​​きなうねりが生じ、TS-HKMSDDで検出されるミュオンの数が変動した。 余分な水の量により、より多くのミューオンが散乱および崩壊し、検出器に到達する数が減少しました。 研究チームがミュオンのデータをチェックしたところ、潮汐計の測定値とほぼ一致していることがわかりました。サイ。 担当者 12 6097).

うねりを測定するために、検出器を水域下のトンネル内に置く必要はありません。 「海岸近くの地下空間があればどこでも検出できます」と彼は説明します。 これには、海岸線近くの道路や地下鉄のトンネル、駐車場や商業地下室などのその他の地下空間が含まれる可能性があります。

サイクロンと同様に、気象津波の検出は、大気中を浅い角度で移動し、その後水域と海岸線を通過するミューオンを感知する検出器に依存します。 タナカ氏によると、このような装置を使えば海岸から約XNUMX～XNUMXキロメートルまでの水位を測定できるという。 「私たちは（隕石津波が）到来する瞬間を知りたくないのです」と彼は言う。 「着陸する前に知りたいのです。」

タナカ氏は、このようなシステムは潮位を測定し、高密度の潮汐監視ネットワークを構築するためにも使用できると考えています。 結局のところ、ミュオン検出器には機械式潮位計に比べて XNUMX つの大きな利点があります。それは、水と接触しないことです。 これにより、時間が経っても磨耗せず、大きな嵐によっても損傷することがないため、信頼性が高まります。 実際、東京湾アクアライントンネル内のTS-HKMSDDはXNUMX年間、XNUMX秒たりとも欠測することなく測定を続けました。 謙虚なミュオンが自然災害に備えるためにこれほどの効果があるとは誰が想像したでしょうか。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/earth-wind-and-water-how-cosmic-muons-are-helping-to-study-volcanoes-cyclones-and-more/